La toxicologie nucléaire ou radiotoxicologie est une discipline scientifique récente qui étudie les effets directs et/ou indirects des corps chimiques radioactifs sur les organismes vivants et les écosystèmes.
Cette discipline tend à s'ouvrir au champ environnemental, avec par exemple au CEA en France des programmes de toxicologie nucléaire environnementale étudiant pour le CEA les
Principes Les organismes vivants sont tous peu ou prou exposés à un rayonnement naturel. Depuis quelques décennies, ils peuvent aussi être exposés à des sources artificielles de rayonnement. Cette exposition est « externe » (rayonnement stellaire ou d'une roche radioactive, ou rayons X d'une radiographie médicale par exemple) ou « interne » (à la suite de l'incorporation de radionucléides dans l'organisme, par inoculation, ingestion, et/ou inhalation). Tout organisme est aussi plus ou moins exposé (par ingestion, inhalation ou contact) à la toxicité chimique d'éléments radioactifs, d'origine naturelle et depuis peu d'origine médicale, industrielle ou militaire. Leur toxicité chimique peut interagir avec leur radiotoxicité. Ces produits éventuellement à la fois chimiquement toxique et ionisants peuvent se substituer dans l'organisme à des éléments proches mais non radioactifs (par exemple un isotope radioactif de l'iode prend très facilement la place de l'iode normale dans la thyroïde, et un atome de calcium sera facilement remplacé par un atome de césium radioactif). Presque toujours, l'organisme est confronté à un stress global (ou « stress combiné ») qui associe synergiquement un stress radiatif auquel se surajoute un stress chimique quand le radionucléide est également chimiquement naturellement toxique, ce qui est souvent le cas, mais ces synergies commencent seulement à être finement étudiées.
Les stress radiatif et chimiques interfèrent avec divers processus fondamentaux et vitaux du Vivant (métabolisme, différenciation cellulaire, reproduction, évolution) et peut par exemple être source de mutations, de cancers, de délétions diverses affectant éventuellement la survie d'une cellule, d'un individu ou d'une communauté.
La toxicologie nucléaire est nécessairement pluridisciplinaire, associant notamment chimistes, radiochmistes physiciens, spécialistes de la métrologie et biologistes et écologues, médecins et épidémiologistes qui étudient les effets toxiques des corps radioactifs sur les organismes vivants, du niveau biomoléculaire et cellulaire (génotoxicité, toxicogénomique, protéomique, métabolomique) à celui des écosystèmes en passant par celui du métabolisme, de l'immunité et de la santé et de la reproduction (reprotoxicité, santé reproductive).
Elle se subdivise souvent en plusieurs grands sous-domaines : toxicologie humaine ; écotoxicologie ; épidémiologie ; étude de la cinétique des radio-nucléides dans les organismes et l'environnement ; dépollution et décontamination d'organismes ou de sites et sols contaminés.
Les effets toxiques (et/ou écotoxiques) ont deux sources susceptibles de cumuler leurs effets : la toxicité chimique intrinsèque du métal considéré (uranium, plutonium…) ; la radiotoxicité strictement induite par sa radioactivité, avec des effets variant fortement selon que l'exposition soit interne ou externe.
Sujets d'intérêt de ce domaine Ce sont notamment : la connaissance des modes d’action des radio-toxiques à tous les niveaux d'organisation du vivant (de l'échelle moléculaire à celle des écosystèmes, en passant par celle des colonies d'organismes, des cellules, organes, tissus, et organismes) ; la fixation préférentielle de radionucléides dans un organisme, dans l'un de ses organes (il existe généralement un ou plusieurs organes cibles (comme la thyroïde dans un organisme contaminé par de l'iode 131), ou dans une partie d'un organe (Chez le rat, outre le rein et les os, certaines zones du cerveau fixent préférentiellement l'uraniumCommunication de Bussy Cyrill, Chazel Valérie, Frelon Sandrine, Houpert Pascale, Monleau Marjorie, Paquet François, intitulée « Heterogeneous accumulation of uranium in the brain of rats », au 6th Workshop on Internal Dosimetry of Radionuclides, Montpellier, 2006 10 02, actes publiés par l'Oxfords journal le 01/11/2007, IRSN/DRPH/SRBE/LRTOX, en y modifiant par exemple le métabolisme du cholestérolCommunication de Gourmelon Patrick, Gueguen Yann, Racine Radjini, Souidi Maâmar, intitulée « Modifications of cholesterol metabolism in brain following uranium contamination » ; Congrès de Lipidomique, Toulouse, 2007 10 09, IRSN/DRPH/SRBE/LRTOX, publié le 11 octobre 2007, en perturbant chez l'homme le cycle veille-sommeil et la mémoire à court-termeCommunication « Le stress oxydant : un mécanisme pour expliquer la physiopathologie cérébrale induite par une ingestion chronique d'uranium ? », par Ben Soussan Hélène, Gourmelon Patrick, Lestaevel Philippe, Romero Elodie, Voisin Philippe, international de radiobiologie fondamentale et appliquée, La Londe Les Maures, 2007 09 17, IRSN/DRPH/SRBE/LRTOX (publié : 2007 09 21)). Chez des organismes primitifs, il pourra s'agir d'un mucus, ou de la membrane, du noyau cellulaire ou d'organites spécialisés. Il est important de les connaître car ils expliquent aussi la cinétique environnementale des radionucléides dans le réseau trophique ou pyramide alimentaire) ; la cinétique spatiotemporelle spécifique d'un radionucléide, d'une association de radionucléides (ou en association avec d'autres corps ou molécules) dans les organismes et dans l'environnement. La mobilité, biodisponibilité, bioturbation, bioconcentration) et bien entendu leur toxicité et écotoxicité. Les toxicologues de ce domaine doivent aussi tenir compte de la décroissance radioactive et de l'apparition de « fils » (toxiques et/ ou radioactifs ou non) au fur et à mesure de la transformation atomique liée à la désintégration radioactive. On a ainsi pu montrer que certaines espèces (champignons en particulier, qui interagissent fortement avec les radionucléidesJohn Dighton, Tatyana Tugay and Nelli Zhdanova, Interactions of Fungi and Radionuclides in Soil ; Soil Biology, 1, Volume 13, Microbiology of Extreme Soils, 3, Pages 333-355 (Résumé)) bioaccumulaient préférentiellement certains métaux et pouvaient sélectivement contaminer leurs prédateurs ou consommateurs (sangliers via la truffe du cerf qui bioaccumule remarquablement l'isotope 137Cs (césium) radioactif par exemple). La dimension temporelle est importante ; par exemple le césium ne migre verticalement que lentement dans le sol (environ /an pour un sol forestier) et ce n'est qu'après environ que les champignons comme Elaphomyces granulatus se contaminent. Or ces espèces sont mycorhysatrices d'arbres (noisetier et chêne pour cette espèce) qu'elles pourront ensuite peut-être contaminer. Ces processus expliquent que très localement, en forêt, la radioactivité a pu se maintenir, voire augmenter sur des zones contaminées par les pluies lors du passage du « nuage de Tchernobyl » ; l'étude des réponses physiologiques et en particulier des mécanismes de détoxication ou d'excrétion de ces composés (au niveau cellulaire notamment où le radionucléide peut parfois - comme d'autres contaminants xénobiotiques - être chélaté et exporté par un processus naturel de détoxication (pompes membranaires faisant intervenir des « transporteurs » (chélateur, transporteur membranaire, thioprotéines de détoxification...), ou au contraire altérée par la radioactivité ou par un stress oxydatif induit. Dans ce dernier cas les chercheurs étudient les processus de réparation ou de mort cellulaire). Ces études passent par des études in vitro en laboratoire, ou in situ (sur sites pollués ou après essais nucléaires ou catastrophes nucléaires), voire par des modèles ; l'étude des conséquences génétiques (ruptures de brins d'ADN, pontages ADN-protéines, lésions des bases...) et de la plus ou moins grande efficacité des systèmes d'auto réparation de l'ADN et de la cellule, notamment chez quelques bactéries dites extrêmophiles, dont certaines sont exceptionnellement résistantes à une forte radioactivité (Deinococcus radiodurans en particulier). Elle complète l'étude des organismes les plus sensibles pour mieux comprendre le risque de maladies génétiques trans-générationnelles induites lorsque les cellules de la lignée germinale sont génétiquement modifiées par la radioactivité. Pour mieux les comprendre, les chercheurs s'intéressent aux conséquences des délétions et mutations génétiques chez des organismes aussi divers que virus, microbes, plantes, lichens (souvent très résistants à la radioactivité) ou animaux ; l'étude de certains facteurs de risques, qui se combinent entre eux, avec par exemple : la durée et l'intensité (dose) et le type de rayonnement (énergie variable selon que le rayonnement soit alfa, bêta, gamma ou combiné dans le cas de l'exposition à des cocktails de radionucléides), ainsi que le type d'exposition (irradiation externe, ou interne fixe et chronique, ou interne mobile et de courte durée) ; l'étude de facteurs de vulnérabilité de l'organisme exposé (qui varie selon son âge, son état de santé et certaines caractéristiques génétiques propre à l'individu et à l'espèce concernée) ; la sécurité alimentaire ; l'OMS, la Communauté européenne et divers organismes fixent des seuils réglementaires. L'UE a par exemple décidé que le lait ne doit pas dépasser pour l'iode 131, mais dans certains länder allemands, les normes sont beaucoup plus sévères ( en Sarre, en Hesse et Hambourg). La toxicologie nucléaire peut confirmer et informer la pertinence de certaines normes et seuils ; la recherche de seuils, d'indicateurs et de bioindicateurs, y compris à partir des retours d'expérience d'accidentsArticle : Benderitter Marc, Bertho Jean-Marc, De Revel Thierry, Gourmelon Patrick, Gueguen Yann, Lataillade Jean-Jacques, Roy Laurence, Souidi Maâmar Les nouveaux bio-indicateurs pour évaluer et suivre les dommages radio-induits : À propos d'un cas accidentel, Radiation Research, volume 169, , pages 543 à 550, 2008 05 01 (cindyniques).
Des synergies entre corps radioactifs et avec d'autres corps (toxiques ou non) sont probablement fréquentes, mais encore peu étudiées et mal comprises.
Des questions plus spécifiques sont posées aux toxicologues, par exemple concernant les impacts immédiats ou différés de l'usage de Munition antiblindage à uranium appauvri.
Dans le monde Les premiers grands programmes de recherche ont été lancés au Japon pour mieux comprendre et mesurer les impacts à moyen et long terme des 2 bombes atomiques qui ont détruit Hiroshima et Nagasaki et tué ou irradié leurs habitants, puis après la catastrophe de Tchernobyl.
En France